Диафрагмы и их значение

Диафрагмами называются непрозрачные экраны, имеющие от­верстия для пропускания световых лучей.

Изображение оптической системы образуется при помощи пуч­ков лучей, имеющих конечные размеры. Из каждой точки объек­тива в пространстве предметов по направлению к оптической си­стеме выходят пучки лучей в пределах весьма больших телесных углов. Но в оптическую систему попадают лишь пучки лучей, ог­раниченные оправой оптических деталей. Оправы оптических дета­лей выполняют роль диафрагм.

Если на первую поверхность оптической системы, ограничен­ную оправой первой оптической детали, упал пучок лучей конеч­ных размеров, то это еще не означает, что весь пучок лучей прой­дет через всю оптическую систему. Внутри оптической системы могут существовать оправы других оптических деталей, которые ограничивают пучки световых лучей. Все эти оправы выполняют роль диафрагм. Но, кроме оправ линз и призм, естественно огра­ничивающих пучок световых лучей, могут быть и специальные диафрагмы. Диафрагмы, как правило, располагаются перпенди­кулярно оптической оси, а их центры совпадают с оптической осью системы.

Среди многих диафрагм, существующих в оптической системе,, имеется одна, наиболее существенным образом влияющая на све­топропускание, называемая действующей, или апертурной.

Апертурной диафрагмой называется такая диафрагма, которая огра­ничивает осевой и наклонные пучки лучей, проходящие через оптическую систему.

Чтобы в реальной оптической системе отыскать местоположе­ние апертурной диафрагмы, надо определить путь и конечные раз­меры пучка лучей, проходящего через оптическую систему в мери­диональной плоскости. Здесь имеют значение только те лучи, кото­рые действительно проходят через систему и дают изображение.

Найдем положение такой диафрагмы на примере сложной оп­тической системы из двух линз (рис. 4.5.1- Ход наклонного пучка лучей через оптическую систему).

И з точки предмета на оптическую систему падает пучок лучей сечения , но через оптическую систему проходит только пучок лучей сечения . Лучи из точки поступают в систему и выше точки , но не проходят, так как срезаются задней ча­стью оправы. Из системы могли бы выйти лучи и ниже точки , но этих лучей нет, так как их не пропускает передняя часть оправы.

Средний луч проходящего пучка лучей пересекает оптическую ось в точке . Этот луч называется главным лучом. Там, где он пересекает оптическую ось, и находится центр действующей, или апертурной диафрагмы. Таким образом, есть диаметр дейст­вующей (апертурной) диафрагмы. При уменьшении диаметра диафрагмы диаметр пучка лучей также симметрично уменьшается. Легко видеть, что только в точке можно установить такую диа­фрагму. Диафрагма, поставленная в любое другое место, будет вызывать несимметричное уменьшение количества лучей в пучке.

Всякая диафрагма, поставленная правее точки , вызывает срезание 'верхней части пучка, а диафрагма, поставленная левее точки - срезание нижней части пучка. Пучок лучей, идущий из точки вне оптической оси, называется наклонным пучком лу­чей.

А пертурная диафрагма влияет также и на ограничение лучей осевого пучка. Допустим, что из точки падает пучок лучей на оптическую систему (рис. 4.5.2). Этот пучок лучей проходит через края действующей диафрагмы . Существует только одно место в оптической системе, в точке , где диафрагма одновременно и симметрично влияет на оба пучка лучей: наклонный и осевой. Действительно, если сместим диафрагму , например, вправо, так, чтобы она не ограничивала осевой пучок лучей, то она будет ограничивать наклонный пучок лучей снизу, а если влево, - то сверху.

Найдем изображение апертурной диафрагмы через переднюю половину оптической системы. Из точки как бы выходят влево два луча, после преломления их продолжения пересекаются в , а два луча, выходящие влево из точки , преломляются так, что их продолжения пересекаются в точке . Отсюда следует, что - есть изображение . Такое световое отверстие называет­ся входным зрачком. Входным зрачком называется отверстие, че­рез которое световые лучи входят в оптическую систему. Оно может быть мнимым и действительным.

Аналогичным образом два луча из точек и , идущие вправо, после преломления в задней половине оптической систе­мы образуют изображение действующей диафрагмы через заднюю половину системы. Из этого отверстия как бы выходят световые лучи. Оно называется выходным зрачком. Выходным зрачком называется отверстие, из которого лучи выходят из опти­ческой системы. Его отличие от других любых отверстий состоит в том, что из этого зрачка одновременно выходят и осевые и на­клонные пучки лучей. Первая поверхность (а также и последняя) не удовлетворяет этому условию.

Входной зрачок явился изображением действующей диафраг­мы через переднюю половину оптической системы. Точка - центр входного зрачка, - изображение точки - центра действующей диафрагмы. Выходной зрачок явился изображением действующей диафрагмы через заднюю половину оптической си­стемы. Точка - центр выходного зрачка, - изображение точ­ки - центра диафрагмы. Следовательно, выходной зрачок является изображением входного зрачка через всю оптическую систему.

Диаметр входного зрачка ограничивает размеры осевого пучка лучей. Если лучи идут параллельно оптической оси, то диа­метр пучка равен диаметру входного зрачка. Если лучи идут из точки , находящейся на конечном расстоянии от системы, то входной зрачок ограничивает телесный угол лучей. В главном се­чении пучка, в плоскости чертежа, угол называется апертурным углом в пространстве предметов. Таким же образом угол называется апертурным углом в пространстве изображений. Если лучи выходят из оптической системы параллельно оптической оси, то диаметр пучка лучей равен диаметру выходного зрачка.

Наклонный пучок падает в оптическую систему под некоторым углом w к оптической оси. Если лучи идут из бесконечно удален­ной точки, расположенной вне оптической оси, то с оптической осью все лучи образуют одинаковый угол, называемый углом поля зрения.

Если же лучи идут из точки (рис, 4.5.2), находящейся на ко­нечном расстоянии от оптической системы, то все лучи этого пуч­ка образуют с оптической осью различные углы. Угол поля зре­ния в этом случае определяется главным лучом, который направляется в центр входного зрачка.

В пространстве изображения аналогичным образом будем рассматривать углы поля изображения . Пользуясь формулами:

или

найдем линейное увеличение в зрачках:

(4.5.1)

где - диаметр выходного зрачка, a - диаметр входного зрачка.

Если в плоскости изображения установить материальную диа­фрагму, то она будет ограничивать размеры изображения. Такая диафрагма называется диафрагмой поля зрения, или полевой. Ограничивая величину изображения, она тем самым ограничивает и размеры видимого поля зрения. На рис. 4.5.2 есть радиус диафрагмы поля зрения. Диафрагма поля зрения выбирается та­кой величины, чтобы ограничивать круг резкого изображения, при­годного для использования.